DE102019111173A1

DE102019111173A1 - Kaltwärmenetz mit Booster-Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102019111173A1
Application number: DE102019111173.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander von Rohr; Philipp Elsäßer
Original assignee: Caldoa GmbH
Current assignee: Caldoa GmbH
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-08-27
Also published as: DE102019111184A1; DE102019111184B4

Abstract

Ein Kaltwärmenetz (1) zum Temperieren von zumindest einem Gebäude (2) weist einen ersten geschlossenen Kreislauf (3), welcher zumindest eine gebäudeferne, vorzugsweise unterirdische, Wärmequelle (4) an eine dem jeweiligen Gebäude (2) zugeordnete Wärmepumpe (5) anbindet, auf, wobei ein zweiter geschlossener Kreislauf (6) die zumindest eine Wärmequelle (4) über eine Booster-Wärmepumpe (7) mit dem ersten Kreislauf (3) thermisch koppelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kaltwärmenetz zum Temperieren, insbesondere zum Heizen und/oder Kühlen, von zumindest einem Gebäude mit einem ersten geschlossenen Kreislauf, welcher zumindest eine gebäudeferne, vorzugsweise unterirdische, Wärmequelle an eine dem jeweiligen Gebäude zugeordnete Wärmepumpe anbindet.
Aus dem Stand der Technik sind bereits sogenannte kalte Wärmenetze bekannt. Diese werden üblicherweise in Wohn- oder Gewerbegebieten eingesetzt, um verschiedene Verbraucher mit Wärme- und Kälteenergie zu versorgen. Beispielweise wird in der DE 20 2007 017 967 U1 ein solches Wärmenetz beschrieben. Insbesondere wird in diesem Wärmenetz zur Nutzung und Entnahme von Erdwärme für eine Vielzahl an Gebäuden eine Vielzahl an mit einer Wärmequelle zusammenwirkende Erdwärmevorrichtungen verwendet. Die ältere Offenbarung betrifft dabei ein System zur Nutzung von Erdwärme für eine Mehrzahl von Gebäuden, mit einer Anzahl von im Erdreich errichteten Erdwärmevorrichtungen zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Erdreich, wobei die Anzahl von Erdwärmevorrichtungen von der Mehrzahl der zu beheizenden Gebäuden des Systems abhängt, mit einem mit den Erdwärmevorrichtungen verbundenen Vorlauf, mit einem mit den Erdwärmevorrichtungen verbundenen Rücklauf, mit jeweils einer Energieübergabestelle für jedes Gebäude, wobei die Energieübergabestelle mit dem Vorlauf und mit dem Rücklauf zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist, mit jeweils zumindest einer Wärmepumpe für jedes Gebäude, wobei die Wärmepumpe mit der Energieübergabestelle verbunden ist, und mit einem Wärmetauschermedium in dem geschlossenen Kreislauf.
Ein so konzipiertes kaltes Wärmenetz arbeitet üblicherweise in einem Temperaturbereich von -5 - 20°C, so dass als Wärmeträgerfluid ein Frostschutzmittel-Wasser-Gemisch (Sole) verwendet werden muss. Handelsübliche Frostschutzmittel werden mindestens in die Wassergefährdungsklasse 1 (schwach/mäßig wassergefährdend) eingestuft, weshalb für frostschutz-/kühlmittelnutzende Anlagen die Anforderungen nach § 18 AwSV gelten. Hiernach müssen Anlagen ausgetretene Stoffe auf geeignete Weise zurückhalten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen die Anlagen bei Vorliegen bestimmter Voraussetzungen doppelwandig im Sinne von § 2 Abs. 17 AwSV ausgeführt werden.
Der Stand der Technik hat jedoch bei Vorliegen bestimmter Voraussetzungen den Nachteil, dass der Einsatz doppelwandiger Rohre zu hohem Materialaufwand und einer drastischen Reduzierung der Wärmegewinne des umgebenden Erdreichs, was signifikante energetische und wirtschaftliche Nachteile zur Folge hat, führt.
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein kaltes Wärmenetz (Kaltwärmenetz) bereitgestellt werden, welches den Einsatz doppelwandiger Rohre bei gleichzeitiger Gewährleistung der Betriebssicherheit minimiert.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zweiter geschlossener Kreislauf die zumindest eine Wärmequelle über eine Booster-Wärmepumpe mit dem ersten Kreislauf thermisch koppelt. Mit anderen Worten ausgedrückt, koppelt die Booster-Wärmepumpe den ersten geschlossenen Kreislauf thermisch mit dem zweiten geschlossenen Kreislauf, während sie die beiden Kreisläufe fluidisch voneinander entkoppelt.
Dies hat den Vorteil, dass lediglich in dem zweiten Kreislauf doppelwandige Rohre verwendet werden müssen und somit die Materialkosten bei gleichzeitiger Steigerung der Systemeffizienz gesenkt werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann in dem ersten Kreislauf ein erstes Wärmeträgerfluid strömen und in dem zweiten Kreislauf ein sich von dem ersten Wärmeträgerfluid unterscheidendes, zweites Wärmeträgerfluid strömen. Dabei kann das erste Wärmeträgerfluid Wasser sein und das zweite Wärmeträgerfluid eine Sole und/oder ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel/Kühlmittel, insbesondere Glykol, sein. Da Wasser mehr Energie bei geringeren Reibungsverlusten transportieren kann als ein Glykol-Wasser-Gemisch, fallen die Dimensionierung des Leitungsquerschnitts, der Aufwand der Erdarbeiten und die Kosten der Betriebsführung (z.B. Pumpenstrom) geringer aus.
Vorzugsweise kann die gebäudeferne Wärmequelle Abwärme von, vorzugsweise industriellen, Anlagen nutzen und/oder eine Geothermiequelle, wie eine vertikale Erdwärmesonde, ein horizontaler Erdkollektor oder ein Grundwasserbrunnen, sein und/oder ein Latentwärmespeicher, in der Art eines Eisspeichers, sein.
Erfindungsgemäß kann die Booster-Wärmepumpe thermisch mit einem Regenerator zusammenwirken. Dabei kann der Regenerator zumindest ein Element aus einem Absorber, einem Solarabsorber, einem Rückkühler oder Gebläseabsorber, einer Kältemaschine oder einer Wärmemaschine sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Kreislauf durch ein Rohrleitungssystem mit einwandigen Rohren ausgestaltet sein und der zweite Kreislauf durch ein Rohrleitungssystem mit doppelwandigen Rohren ausgestaltet sein, was es ermöglicht, die Systemeffizienz zu erhöhen, da der gesamte erste Kreislauf als Flächenkollektor bzw. Wärmetauscher arbeitet. Insbesondere ermöglichen die geringe Leitungs-Wandstärke und die Vermeidung einer Isolierung (Doppelwandigkeit) in dem ersten Kreislauf einen direkten thermischen Austausch zwischen dem Wärmeträgermedium und dem umgebenden Erdreich. So kann das thermische Speichervolumen des die Leitungen umgebenden Erdreichs als zusätzliche Wärmequelle/Wärmesenke und als Energiespeicher genutzt werden, was die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit signifikant erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Booster-Wärmepumpe oberirdisch unmittelbar über der unterirdischen Wärmequelle, im besten Fall in einer Technikzentrale direkt über der Wärmequelle, angeordnet sein. Dadurch kann der Abstand zwischen der Booster-Wärmepumpe und der Wärmequelle und damit die Länge der den zweiten Kreislauf ausbildenden Leitungen minimiert werden, was es wiederum ermöglicht, den Einsatz doppelwandiger Rohrleitungen auf ein Minimum zu reduzieren.
Erfindungsgemäß kann der erste Kreislauf im Wesentlichen unterirdisch unterhalb einer Frostgrenze angeordnet sein. Dadurch wird die Gefahr einer Vereisung des ersten Kreislaufs auch ohne aufwändige Isolierung oder Doppelwandigkeit des ersten Kreislaufs verhindert, insbesondere, wenn Wasser als erstes Wärmeträgerfluid verwendet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Wärmequelle unterirdisch im Wesentlichen unterhalb einer Frostgrenze angeordnet sein. Insbesondere, wenn aufgrund mehrerer zusammenwirkender Wärmequellen Leitungen zwischen diesen verlegt werden müssen, kann somit sichergestellt werden, dass im Bereich der Leitungen keine Vereisungen auftreten, weshalb wiederum reines Wasser verwendet und auf eine kostenintensive Isolierung der Leitungen verzichtet werden kann.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein innovatives Kaltwärmenetz mit einem Niedertemperatur-Energiespeicher (Eisspeicher). Der Unterschied zu dem vorstehend genannten Stand der Technik ist die Integration einer zentralen Booster-Wärmepumpe, durch deren Integration es möglich wird, reines Wasser als Netz-Wärmeträgerfluid zu nutzen, aber trotzdem mit Temperaturen unter 0°C den Eisspeicher zu vereisen und somit die beinhaltete latente Wärme nutzbar zu machen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines Kaltnahwärmenetzes nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 einen schematischen Aufbau eines Kaltnahwärmenetzes nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem passiven Regenerationsbetrieb.
3 einen schematischen Aufbau eines Kaltnahwärmenetzes nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl an Gebäuden.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kaltnahwärmenetzes 1 zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen und/oder Heizen, eines Gebäudes 2 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kaltnahwärmenetz 1 weist einen ersten geschlossenen Kreislauf 3 auf, welcher eine gebäudeferne, vorzugsweise unterirdische, Wärmequelle 4 an eine dem Gebäude 2 zugeordnete, dezentrale Wärmepumpe/Verbraucher 5 anbindet. Ein zweiter geschlossener Kreislauf 6 koppelt die Wärmequelle 4 über eine zentrale Booster-Wärmepumpe 7 mit dem ersten Kreislauf 3 thermisch und hydraulisch. Ferner entkoppelt die Booster-Wärmepumpe 7 den ersten Kreislauf 3 fluidisch von dem zweiten Kreislauf 6. Das Kaltnahwärmenetz 1 ist hier ein Beispiel für ein „Kaltwärmenetz“.
Dabei ist der erste geschlossene Kreislauf 3 aus einer Gebäudezulaufleitung 8 und einer Gebäuderücklaufleitung 9, welche jeweils die Wärmepumpe 5 mit der Booster-Wärmepumpe 7 verbinden, ausgebildet, so dass Wasser als ein erstes Wärmeträgerfluid von der Booster-Wärmepumpe 7 durch die Gebäudezulaufleitung 8 hin zu der Wärmepumpe 5 und von der Wärmepumpe 5 durch die Gebäuderücklaufleitung 9 zurück zu der Booster-Wärmepumpe 7 strömen kann. Die Strömungsrichtung des Wassers in der Gebäudezulaufleitung 8 und der Gebäuderücklaufleitung 9 ist in 1 jeweils durch die Pfeile A bzw. B angedeutet.
Des Weiteren ist die Booster-Wärmepumpe 7 über eine erste Wärmequellenzulaufleitung 10 und eine erste Wärmequellenrücklaufleitung 11 sowie eine zweite Wärmequellenzulaufleitung 12 und eine zweite Wärmequellenrücklaufleitung 13 thermo-fluidisch über ein Umschaltventil 14 nach Art eines Dreiwegeventils mit der Wärmequelle 4 verbunden. Die Wärmequellenzulaufleitungen 10, 12 und die Wärmequellenrücklaufleitungen 11, 13 bilden dabei im Wesentlichen den zweiten geschlossenen Kreislauf 6 aus, so dass ein Glykol-Wasser-Gemisch in dem zweiten geschlossenen Kreislauf 6 zwischen der Wärmequelle 4 und der Booster-Wärmepumpe 7 zirkulieren kann. Das Glykol-Wasser-Gemisch ist hier ein Beispiel für ein „zweites Wärmeträgerfluid“ und die Strömungsrichtung des Glykol-Wasser-Gemischs in den Wärmequellenzulaufleitungen 10, 12 und den Wärmequellenrücklaufleitungen 11, 13 ist in 1 jeweils durch die Pfeile C bzw. D angedeutet.
In dem Kaltnahwärmenetz 1 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wärmequelle 4 durch einen unterirdisch angeordneten Eisspeicher 15 und einer mit dem Eisspeicher 15 thermisch zusammenwirkenden vertikalen Erdsonde/Erdwärmesonde 16 ausgestaltet. In dem Eisspeicher 15 lagert dabei Wasser/Eis als ein Speichermedium, so dass der Eisspeicher 15 als ein Latentwärmespeicher arbeitet. Des Weiteren steht die Erdsonde 16 über eine Erdsondenzulaufleitung 17 und eine Erdsondenrücklaufleitung 18 in Fluidkontakt mit einem in oder an dem Eisspeicher 15 angeordneten Erdsonden-Wärmeübertragungselement 19, so dass Wärme/thermische Energie, welche über die Erdsonde 16 auf ein drittes Wärmeträgerfluid übertragen wird, durch die Strömung des erwärmten dritten Wärmeträgerfluides von der Erdsonde 16 durch die Erdsondenrücklaufleitung 18 hin zu dem Erdsonden-Wärmeübertragungselement 19 transportiert wird. Die Strömungsrichtung des dritten Wärmeträgerfluides in der Erdsondenzulaufleitung 17 und der Erdsondenrücklaufleitung 18 ist in 1 jeweils durch die Pfeile E bzw. F angedeutet. Im oder am Eisspeicher 15 tauscht das dritte Wärmeträgerfluid thermische Energie über das Erdsonden-Wärmeübertragungselement 19 mit dem in dem Eisspeicher 15 gelagerten Wasser/Eis aus. Da in dem Kaltnahwärmenetz 1 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmequelle 4 einschließlich dem Eisspeicher 15, der Erdsonde 16, der Erdsondenzulaufleitung 17 und der Erdsondenrücklaufleitung 18 unterhalb der Frostgrenze G (in 1 schematisch durch die gestrichelte Linie angedeutet) im Erdreich angeordnet ist, kann als drittes Wärmeträgerfluid Wasser verwendet werden, was eine aufwändige und kostenintensive Dämmung oder Doppelwandigkeit der Erdsondenzulaufleitung 17 und der Erdsondenrücklaufleitung 18 obsolet macht. Durch die einwandige Ausgestaltung der Erdsondenzulaufleitung 17 und der Erdsondenrücklaufleitung 18 kann Wärme zwischen dem Erdreich und dem dritten Wärmeträgerfluid nicht nur an der Erdsonde 16, sondern auch entlang der Erdsondenzulaufleitung 17 bzw. Erdsondenrücklaufleitung 18 übertragen werden, was wiederum die Systemeffizienz erhöht.
Mit anderen Worten, ermöglicht die Kombination der Erdsonde 16 mit dem Eisspeicher 14 und der Booster-Wärmepumpe 7 einen Betrieb der Erdsonde 16 mit reinem Wasser. Die thermische Energie der Erdsonde 16 wird nun, entkoppelt von der Anforderung der Wärmepumpe 5, in dem Eisspeicher 15 zwischengelagert. Da die Erdsonde 16 mit reinem Wasser in einem Temperaturbereich ≥ 0°C betrieben wird, ist eine Überlastung aufgrund zu hohem Entzugs ausgeschlossen. Die Erdsonde 16 liefert, entkoppelt vom tatsächlichen Bedarf, kontinuierlich Energie in den Eisspeicher 15 als Pufferspeicher. Durch die lange Laufzeit der Erdsondennutzung, in Verbindung mit dem thermisch besseren Wärmeträgermedium Wasser, vergrößert sich die Leistungsfähigkeit einer Erdsondenanlage bei größtmöglicher Sicherheit bezüglich einer Überlastung, aber auch aus wasserrechtlicher Sicht.
Wie vorstehend beschrieben, steht die Booster-Wärmepumpe 7 über die Wärmequellenzulaufleitungen 10, 12 und die Wärmequellenrücklaufleitung 11, 13 thermo-fluidisch mit dem Eisspeicher 15 in Kontakt. Insbesondere tauscht das Speichermedium in dem Eisspeicher 15 Wärme mit dem in dem zweiten Kreislauf 6 zirkulierenden Glykol-Wasser-Gemisch über ein in oder an dem Eisspeicher 15 angeordnetes Entzugs-Wärmeübertragungselement 20 aus, so dass die in dem Eisspeicher 15 gespeicherte thermische Energie mit der Strömung des Glykol-Wasser-Gemischs zu der Booster-Wärmepumpe 7 hin (Heizbetrieb) transportiert wird, was ein Abkühlen/Vereisen des Speichermediums zur Folge hat. Des Weiteren steht die Booster-Wärmepumpe 7 über die zweite Wärmequellenzulaufleitung 12 und die Wärmequellenrücklaufleitung 13 thermo-fluidisch mit einem in oder an dem Eisspeicher 15 angeordnetem Regenerations-Wärmeübertragungselement 21 in Kontakt. In Abhängigkeit des nachstehend beschriebenen Betriebsmodus und der Stellung des Umschaltventils 14 tauscht die Wärmequelle 4, insbesondere der Eisspeicher 15, somit thermische Energie mit dem zweiten Wärmeträgerfluid aus.
Mit anderen Worten, gibt es zwischen der Booster-Wärmepumpe 7 und dem Eisspeicher 15 einen doppelwandigen Sole-Zwischenkreis (der zweite geschlossene Kreislauf 6), um die für den Eisspeicherbetrieb notwendigen negativen Temperaturen transportieren zu können. Da sich die Booster-Wärmepumpe 7 in unmittelbarer Nähe des Eisspeichers 15, im besten Fall in einer Technikzentrale (in 1 nicht dargestellt) direkt über dem Eisspeicher 12 befindet, reduziert sich die Länge der glykolführenden doppelwandigen Leitungen, insbesondere der Wärmequellenzulaufleitungen 10, 12 und der Wärmequellenrücklaufleitungen 11, 13, auf ein Minimum.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht zusätzlich ein Rückkühler/Gebläseabsorber 22 mit der Booster-Wärmepumpe 7 in thermischem und hydraulischem Wirkkontakt. Wie nachstehend beschrieben, wird der Rückkühler 22 je nach Betriebsmodus zur aktiven und passiven Regeneration des Eisspeichers 15 und zu einer Wärmeabfuhr aus dem ersten Kreislauf 3 in einem aktiven Kühlbetrieb genutzt. Der Rückkühler 22 ist hier ein Beispiel für einen „Regenerator“:
Wie vorstehend beschrieben, wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erste Kreislauf 3 durch die Booster-Wärmepumpe 7 von dem zweiten Kreislauf 6 und dem Rückkühler 22 entkoppelt. Oder in anderen Worten ausgedrückt, ermöglicht die Booster-Wärmepumpe 7 eine Entkopplung des zweiten Kreislauf 6 von dem ersten Kreislauf 3, so dass lediglich die das Glykol-Wasser-Gemisch führenden Rohrleitungen des zweiten Kreislaufs 6 doppelwandig ausgeführt werden müssen.
Genauer gesagt, hält die Booster-Wärmepumpe 7 das in dem ersten Kreislauf 3 zirkulierende Wasser auf einem Temperaturniveau von ca. 10°C. Zusätzlich, sind in dem Kaltnahwärmenetz 1 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Gebäudezulaufleitung 8 und die Gebäuderücklaufleitung 9 unterirdisch im Erdreich unterhalb der Frostgrenze G vergraben/verlegt. Daher kann, wie vorstehend genannt, als erstes Wärmeträgerfluid Wasser verwendet werden, weshalb keine isolierten (gedämmten) und/oder doppelwandigen Rohrleitungen für die Gebäudezulaufleitung 8 und die Gebäuderücklaufleitung 9 verwendet werden müssen. Ähnlich wie bei der Erdsondenzulaufleitung 17 und der Erdsondenrücklaufleitung 18 kann somit auch über die Wandungen der Gebäudezulaufleitung 8 und der Gebäuderücklaufleitung 9 Wärme mit dem Erdreich ausgetauscht werden, was einen Anstieg der Systemeffizienz zur Folge hat.
Mit anderen Worten, wird in dem Kaltnahwärmenetz 1 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Integration der Booster-Wärmepumpe 7 einerseits die Versorgung des ersten Kreislaufs 3 mit reinem Wasser möglich, andererseits kann durch die Booster-Wärmepumpe 7 in Kombination mit dem Rückkühler 22 eine hocheffiziente, regenerative Wärmeversorgung des Eisspeichers 15 gewährleistet werden. Neben der höheren Betriebssicherheit erweist sich auch die damit einhergehende optimierbare Dimensionierung des Eisspeichers 15 als wirtschaftlicher Vorteil.
Nachfolgend sollen Betriebsarten des Kaltnahwärmenetzes 1 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erklärt werden. Je nach Anforderung der Wärmepumpe 5 und in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur Tumg sowie der Temperatur des Eisspeichers 15 (nachstehend als die „Eisspeichertemperatur T_Eis“ bezeichnet) wird das Kaltnahwärmenetz 1 dabei in den nachstehend beschriebenen Betriebsarten betrieben. Insbesondere kann das Kaltnahwärmenetz 1 einen Heizbetrieb zum Heizen des Gebäudes 2, einen Absorber-Netz-Versorgungsbetrieb, einen Regenerationsbetrieb und einen aktiven/passiven Kühlbetrieb zum Kühlen des Gebäudes 2 realisieren. Die nachfolgend genannten Temperaturwerte sind dabei selbstverständlich lediglich exemplarisch.
Heizbetrieb
In dem Heizbetrieb nutzt die Booster-Wärmepumpe 7 den Eisspeicher 15 sowie in einer speziellen Ausgestaltung die Erdsonde 16 als die Wärmequelle 4 und den ersten Kreislauf 3 (Netz) als Wärmesenke und hält das Wärmeträgerfluid in dem ersten Kreislauf 3 auf einem Temperaturniveau von ca. 10 °C. Die in dem Eisspeicher 15 gespeicherte Wärme wird über das Entzugs-Wärmeübertragungselement 20 entzogen und mit dem innerhalb der Wärmequellenrücklaufleitung 11 strömenden zweiten Wärmeträgerfluid hin zu der Booster-Wärmepumpe 7 transportiert. Das Umschaltventil 14 ist dabei so geschalten, dass lediglich der Strömungsweg zwischen dem Entzugs-Wärmeübertragungselement 20 und der Booster-Wärmepumpe 7 offen ist. Der geringe Temperaturhub von ca. 15 K hat eine sehr hohe Arbeitszahl zur Folge. Die dezentrale Wärmepumpe 5 hebt dieses Temperaturniveau schließlich auf das für die Beheizung des Gebäudes 2 bzw. Warmwasserbereitung benötigte Niveau an.
Mit anderen Worten ausgedrückt, übersteigt die Eisspeichertemperatur T_Eis das Temperaturniveau im ersten Kreislauf 3 (T_Eis > 10°C) und soll das Gebäude geheizt werden, wird der erste Kreislauf 3 ohne Betreiben der Booster-Wärmepumpe 7 mit Energie aus dem Eisspeicher 15 versorgt.
Absorber-Netz-Versorgungsbetrieb
Wenn die Umgebungstemperatur Tumg das Temperaturniveau im ersten Kreislauf 3 übersteigt (Tumg > 10°C), wird der erste Kreislauf 3 mit thermischer Energie aus dem Rückkühler 22 gespeist. Dabei kann zwischen einem passiven und einem aktiven Betrieb unterschieden werden. Im passiven Absorber-Netz-Versorgungsbetrieb steht der Rückkühler 22, wie in 2 schematisch abgebildet, thermo-fluidisch direkt mit dem ersten Kreislauf 3 in Verbindung, so dass die thermische Energie des Rückkühlers 22 ohne Betreiben der Booster-Wärmepumpe 7 an die Wärmepumpe 5 geliefert wird. Im aktiven Betrieb (Tumg < 10°C) kann durch Zuschalten der Booster-Wärmepumpe 7 der erste Kreislauf 3 auch lediglich mit thermischer Energie des Rückkühlers 22 versorgt werden.
Regenerationsbetrieb
Im Regenerationsbetrieb wird der Eisspeicher 15 durch entsprechendes Schalten des Umschaltventils 14 und Zuführen thermischer Energie über die Wärmequellenzulaufleitung 12 an das Regenerations-Wärmeübertragungselement 21 regeneriert werden. Auch hier kann je nach Betriebsart der Booster-Wärmepumpe 7 zwischen einem passiven und einem aktiven Regenerationsbetrieb unterschieden werden.
Ist die Umgebungstemperatur Tumg höher als die Eisspeichertemperatur T_Eis (Tumg > T_Eis), kann der Eisspeicher 15 ohne Betreiben der Booster-Wärmepumpe 7 mit Energie aus dem Rückkühler 22 (der Umgebung) versorgt und dabei regeneriert werden (passiver Regenerationsbetrieb).
Wenn der Eisspeicher 15 regeneriert werden soll, aber die Umgebungstemperatur T_Umg nicht höher als die Eisspeichertemperatur T_Eis (T_Umg ≤ T_Eis) ist, kann der Eisspeicher 15 durch Zuschalten der Booster-Wärmepumpe 7 mit Energie versorgt werden (aktiver Regenerationsbetrieb). Wenn darüber hinaus im aktiven Regenerationsbetrieb die Wärmepumpe 5 Wärme anfordert, kann eine im ersten Kreislauf 3 angeordnete Bypassvorrichtung 23 so geschalten werden, dass das erste Wärmeträgerfluid lediglich im ersten Kreislauf 3 zirkuliert und die thermo-fluidische Verbindung zur Booster-Wärmepumpe 7 getrennt wird. Dabei tauscht das erste Wärmeträgerfluid über die Wandungen der Gebäudezulaufleitung 8 und der Gebäuderücklaufleitung 9 Wärme direkt mit dem Erdreich aus.
Darüber hinaus kann, wenn durch eine Photovoltaik-Anlage oder über einen Regelenergievertrag preiswerter Strom zur Verfügung steht, diese Energieform zu jedem Zeitpunkt des Heizbetriebs effizient (Leistungszahl COP > 8 oder 9 oder sogar 10) im Eisspeicher 15 als Wärme eingelagert werden.
Kühlbetrieb/Sommerbetrieb
In dem Kühlbetrieb/Sommerbetrieb erfolgt die Regeneration des Eisspeichers 15 über den Rückkühler 22, den ersten Kreislauf 3 oder den Kühlbedarf der an dem ersten Kreislauf 3 angeschlossenen Verbraucher (Gebäude 2). Sofern Kühlbedarf besteht, und der Eisspeicher 15 aufgrund zu hoher Temperaturen nicht mehr, wie nachstehend beschrieben, passiv kühlen kann, kühlt die Booster-Wärmepumpe 7 aktiv das erste Wärmeträgerfluid (Wasser) des ersten Kreislaufs 3. So benötigt die dezentrale Wärmepumpe 5 des Gebäudes 2 keine Aktiv-Kühlfunktion via Prozessumkehr. Gekühlt wird über ein Passiv-Kühlmodul (in 1 nicht dargestellt), welches die Wärme des Gebäudes 2 an das erste Wärmeträgerfluid abgibt. Durch die Kombination von kältetechnischen und hydraulischen Komponenten innerhalb der Booster-Wärmepumpe 7 ist auch hier keine Prozessumkehr nötig.
Soll das Gebäude 2 gekühlt werden, wird der erste Kreislauf 3 bei der passiven Kühlung durch Austausch von thermischer Energie mit dem Eisspeicher 15 auf der geforderten konstant niedrigen Temperatur gehalten. Reicht die passive Kühlwirkung durch den Eisspeicher 15 jedoch aufgrund zu hoher Temperaturen nicht mehr aus, um die Kühlanforderung zu erfüllen, wird der erste Kreislauf 3 aktiv über die Booster-Wärmepumpe 7 in Kombination mit dem Rückkühler 18 gekühlt.
Wenn keine Kühlung gefordert wird und/oder Überkapazitäten in Form von elektrischem Strom vorliegen, können diese genutzt werden, um Kälteenergie mittels der Booster-Wärmepumpe 7 in dem Eisspeicher 15 zu speichern. Alternativ kann der Eisspeicher 15 auch durch den Rückkühler 22 und den als Wärmesenke arbeitenden ersten Kreislauf 3 regeneriert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern wird vielmehr durch die Ansprüche definiert.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Verbraucher des Kaltnahwärmenetzes 1 lediglich ein Gebäude 2 mit zugehöriger Wärmepumpe 5 beschrieben. Allerdings kann das Kaltnahwärmenetz eine Vielzahl an Gebäuden mit zugehörigen Wärmepumpen 5 kühlen und/oder heizen. Dabei können, wie in 2 dargestellt, die Wärmepumpen 5 der einzelnen Gebäude 2 über ihre jeweiligen Gebäudezulaufleitungen 8 und Gebäuderücklaufleitungen 9 an eine mit der Booster-Wärmepumpe 7 angebundene Leitung 24 angebunden sein.
Des Weiteren ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Rückkühler 22 als der Regenerator definiert. Jedoch kann als Regenerator auch ein Solarabsorber, eine Kältemaschine oder eine Wärmemaschine oder eine Kombination aus diesen Regenerator-Elementen verwendet werden oder der Regenerator kann weggelassen werden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die Erdsonde 16 und der Eisspeicher 15 die Wärmequelle 4 aus. Alternativ kann die Wärmequelle jedoch auch lediglich den Eisspeicher oder die Erdsonde aufweisen und/oder Abwärme von, vorzugsweise industriellen, Anlagen nutzen und/oder eine andere Geothermiequelle, wie ein Grundwasserbrunnen oder ein horizontaler Erdkollektor, sein und/oder ein anderer Latentwärmespeicher als der Eisspeicher 15 sein.
Bezugszeichenliste

1: Kaltnahwärmenetz
2: Gebäude
3: erster Kreislauf
4: Wärmequelle
5: Wärmepumpe
6: zweiter Kreislauf
7: Booster-Wärmepumpe
8: Gebäudezulaufleitung
9: Gebäuderücklaufleitung
10: erste Wärmequellenzulaufleitung
11: erste Wärmequellenrücklaufleitung
12: zweite Wärmequellenzulaufleitung
13: zweite Wärmequellenrücklaufleitung
14: Umschaltventil
15: Eisspeicher
16: Erdsonde
17: Erdsondenzulaufleitung
18: Erdsondenrücklaufleitung
19: Erdsonden-Wärmeübertragungselement
20: Entzugs-Wärmeübertragungselement
21: Regenerations-Wärmeübertragungselement
22: Rückkühler
23: Bypassvorrichtung
24: Leitung
A, B: Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgerfluids
C, D: Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgerfluids
E, F: Strömungsrichtung des dritten Wärmeträgerfluids
G: Frostgrenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007017967 U1 [0002]

Claims

Kaltwärmenetz (1) zum Temperieren von zumindest einem Gebäude (2) mit einem ersten geschlossenen Kreislauf (3), um Wärme zu einer dem jeweiligen Gebäude (2) zugeordneten Wärmepumpe (5) zuzuführen oder von der Wärmepumpe (5) abzuführen, wobei der erste geschlossene Kreislauf (3) vorbereitet ist, um zumindest mittelbar eine gebäudeferne Wärmequelle (4) anzubinden, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsbrücke zwischen dem ersten Kreislauf (3) und der gebäudeferne Wärmequelle (4) eine Schnittstellen-Wärmepumpe (7)(, etwa als Booster-Wärmepumpe (7) ausgebildet,) vorhanden ist.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kreislauf (3) ein erstes Wärmeträgerfluid strömt und in dem zweiten Kreislauf (6) ein sich von dem ersten Wärmeträgerfluid unterscheidendes, zweites Wärmeträgerfluid strömt.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeträgerfluid Wasser ist und das zweite Wärmeträgerfluid eine Sole und/oder ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, insbesondere Glykol, ist.
KaltnahwärmenetzKaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gebäudeferne Wärmequelle (4) Abwärme von Anlagen nutzt und/oder eine Geothermiequelle ist und/oder ein Latentwärmespeicher ist.
Kaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Booster-Wärmepumpe (7) thermisch und/oder hydraulisch mit einem Regenerator zusammenwirkt.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator zumindest ein Element aus einem Solarabsorber, einem Gebläseabsorber oder Rückkühler (22), einer Kältemaschine oder einer Wärmemaschine ist.
Kaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (3) durch ein Rohrleitungssystem mit einwandigen Rohren ausgestaltet ist und der zweite Kreislauf (6) durch ein Rohrleitungssystem mit doppelwandigen Rohren ausgestaltet ist.
Kaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (3) im Wesentlichen unterirdisch unterhalb einer Frostgrenze (G) angeordnet ist.
Kaltwärmenetz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Booster-Wärmepumpe (7) oberirdisch unmittelbar über der unterirdischen Wärmequelle (4) angeordnet ist.
Kaltwärmenetz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (4) unterirdisch im Wesentlichen unterhalb einer Frostgrenze (G) angeordnet ist.